摘? 要：當(dāng)下，“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為一個(gè)隨處可見(jiàn)、家喻戶曉的流行術(shù)語(yǔ)。而其關(guān)鍵的組成部分則是現(xiàn)代化的智能工廠。智能工廠被設(shè)想成一種在未來(lái)某個(gè)階段，工廠內(nèi)制造系統(tǒng)產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)與各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)完全互連互通。在該設(shè)想中，智能工廠通過(guò)生成、傳輸和處理大量的數(shù)據(jù)，以執(zhí)行生產(chǎn)各種商品所需的可能任務(wù)。其中，基于對(duì)象鏈接和嵌入技術(shù)的開(kāi)放平臺(tái)通訊技術(shù)，即Open Platform Communications（OPC）技術(shù)，也因此得到了進(jìn)一步的使用與發(fā)展。所以，探討OPC技術(shù)在智能工廠中的應(yīng)用不僅是必要的，更是具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0;智能工廠;OPC技術(shù)

1. 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，工業(yè) 4.0、物聯(lián)網(wǎng) （IOT）、大數(shù)據(jù)、人工智能 （AI） 、“云計(jì)算”和智能工廠等，這些以往陌生的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，在普通報(bào)紙、公司網(wǎng)站或科學(xué)期刊中已成為普遍存在的流行術(shù)語(yǔ)并且代表著許多能夠從根本上改變現(xiàn)代社會(huì)和工業(yè)的概念、工具和方法。雖然“工業(yè)4.0”一詞是被德國(guó)人創(chuàng)造的，用來(lái)說(shuō)明闡述工業(yè)部門產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的新興數(shù)字化或數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而美國(guó)人也將其定義為“智能制造”。兩種方法都包含多項(xiàng)核心技術(shù)、方法和趨勢(shì)，并在近幾年中受到了行業(yè)和研究界的持續(xù)關(guān)注。

盡管學(xué)術(shù)界和業(yè)界傾注了越來(lái)越多的投入，但圍繞工業(yè)4.0的研究領(lǐng)域仍然零散不一且參差不齊。但正如一句好話所說(shuō)的，當(dāng)我們嘗試從不同角度考慮處理同一問(wèn)題時(shí)，事物的本質(zhì)將變得顯而易見(jiàn)。這些角度可能具有一定程度的技術(shù)特性，例如思考如何降低制造系統(tǒng)的故障率，或者采用業(yè)務(wù)管理流程的視角來(lái)進(jìn)行觀察、分析、總結(jié)。

工業(yè)4.0概念的關(guān)鍵承載者就是智能工廠。智能工廠描繪了一個(gè)能夠完全互聯(lián)的制造系統(tǒng)，主要通過(guò)生成、傳輸和處理大量的數(shù)據(jù)，從而在沒(méi)有人力的情況下運(yùn)行、執(zhí)行、生產(chǎn)各種商品所需的所有任務(wù)[5]。近年來(lái)，很多文章給出各式各樣的見(jiàn)解并努力說(shuō)明工業(yè)4.0和智能制造方面的概念，但是探索OPC技術(shù)在智能工廠中的具體應(yīng)用研究卻略顯不足。因此，本文將從研究背景，應(yīng)用場(chǎng)景等不同方面做出進(jìn)一步的闡述與研究。

2. 研究背景

2.1 工業(yè)4.0

自18世紀(jì)末出現(xiàn)的第一次工業(yè)革命，到整個(gè)19世紀(jì)中葉特別是電氣技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)的出現(xiàn)構(gòu)成了第二次工業(yè)革命，人類通過(guò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)制造重塑了各行各業(yè)。但如今，制造業(yè)卻面臨著多方面的挑戰(zhàn)，例如創(chuàng)新和技術(shù)生命周期的縮短，以及以大規(guī)模生產(chǎn)為代價(jià)的定制產(chǎn)品需求等。此外，新興工業(yè)國(guó)家的存在造成了競(jìng)爭(zhēng)壓力全球市場(chǎng)。這類國(guó)家的工業(yè)企業(yè)具有技術(shù)吸收能力和呈現(xiàn)為運(yùn)營(yíng)成本低的特性，因此也拉動(dòng)市場(chǎng)逐漸遠(yuǎn)離發(fā)達(dá)國(guó)家。政府和制造業(yè)，特別是德國(guó)，正試圖通過(guò)新的發(fā)明創(chuàng)造來(lái)確保他們的市場(chǎng)占有率。工業(yè)4.0將利用信息技術(shù)、通信、自動(dòng)化等方面的現(xiàn)有進(jìn)步來(lái)形成新的工業(yè)時(shí)代。其目標(biāo)是通過(guò)產(chǎn)品和服務(wù)的創(chuàng)新，創(chuàng)造高附加值的產(chǎn)品，打造一個(gè)有能力在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的民族工業(yè)部門。

由于工業(yè)4.0和智能工廠的出現(xiàn)，傳統(tǒng)制造理念也隨之改變。智能工廠引入了傳統(tǒng)制造業(yè)的要素并結(jié)合了當(dāng)下社會(huì)生產(chǎn)需求，確保其能在未來(lái)保持競(jìng)爭(zhēng)力。在技術(shù)手段快速革新的浪潮下，為了在未來(lái)的市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)，制造公司應(yīng)能夠及時(shí)、經(jīng)濟(jì)、高效地生產(chǎn)小批量產(chǎn)品，并且它們應(yīng)該具有足夠的功能性、可擴(kuò)展性以及與客戶和供應(yīng)商的連接性。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)將變得更加復(fù)雜且難以監(jiān)控。許多技術(shù)也因此如雨后春筍般出現(xiàn)，包括網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)（IOS）、大數(shù)據(jù)、“云計(jì)算”等。工業(yè) 4.0已成為一種新的工業(yè)化概念，利用這些新技術(shù)應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，而智能工廠則是工業(yè) 4.0的核心之一。

2.2 智能工廠

智能工廠的概念對(duì)學(xué)術(shù)界和未來(lái)制造業(yè)的重要性，從來(lái)自不同領(lǐng)域?qū)W者們的不可忽視的關(guān)注上便可見(jiàn)一斑。通過(guò)設(shè)置理論邊界來(lái)描述智能工廠的概念，并使其對(duì)業(yè)界的從業(yè)者具有更加切實(shí)的可操作性，是學(xué)術(shù)研究者們的動(dòng)力源泉。這也導(dǎo)致了多種概念的出現(xiàn)。事實(shí)上，對(duì)智能工廠概念提出描述的早期，自動(dòng)化程度和勞動(dòng)力短缺方面沒(méi)有達(dá)到當(dāng)今如此高的水平。例如，早在2008年盧克等人，僅僅是將智能工廠描述為一種制造環(huán)境，其中人員和生產(chǎn)過(guò)程由基于計(jì)算機(jī)的智能系統(tǒng)支持，確保無(wú)縫、連續(xù)的生產(chǎn)流程，從而提高性能和質(zhì)量[1]。到了2016年，斯塔克等人提出更新的概念，即通過(guò)使用來(lái)自眾多傳感器的數(shù)據(jù)，使各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所需的所有機(jī)器進(jìn)行自主合作。由此可以看出，隨著時(shí)代進(jìn)步與發(fā)展，學(xué)者們對(duì)智能工廠的概念也由自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的制造環(huán)境向著機(jī)器設(shè)備互聯(lián)互通，甚至更高層次演變進(jìn)化。

對(duì)智能工廠包含的基本要素抽絲剝繭后，我們能夠發(fā)現(xiàn)其共同之處。例如，在某種程度上，智能工廠往往都擁有著配備傳感器和執(zhí)行器的機(jī)器或者設(shè)備，能夠收集、發(fā)送、接收、處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的操作。這些機(jī)器相互通信以完成預(yù)定的任務(wù)，即機(jī)器與機(jī)器之間，有系統(tǒng)、有組織、有目的配置自身以實(shí)現(xiàn)共同的生產(chǎn)目標(biāo)。正如其他學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的那樣，生產(chǎn)型工廠不再被視為一個(gè)單獨(dú)活動(dòng)的平面，而是擁有著可被劃分成四個(gè)不同層次的維度，分別是物理層、數(shù)據(jù)層、云和智能層以及控制層。

我們將所有機(jī)器、整個(gè)車間以及實(shí)際發(fā)生的活動(dòng)分配給物理層，即數(shù)據(jù)在該層中產(chǎn)生。數(shù)據(jù)層則包含了從機(jī)器，如傳感器到云端的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，通過(guò)通訊采集軟件控制發(fā)送或者接收哪些數(shù)據(jù)，例如數(shù)據(jù)的類型、種類、速率以及數(shù)量等。然后，數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在云平臺(tái)，比如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。在那里，可以進(jìn)行復(fù)雜的分析處理。頂層控制層則進(jìn)行著全局的監(jiān)控，在這里，運(yùn)行著智能工廠的主程序，可以在必要時(shí)通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行調(diào)整。了解當(dāng)前智能工廠概念至關(guān)重要，便于我們對(duì)智能工廠子領(lǐng)域的學(xué)術(shù)進(jìn)展和未來(lái)有前途的研究聯(lián)系起來(lái)。

2.3 OPC UA

OPC統(tǒng)一架構(gòu)，即OPC UA，是一種相對(duì)較新的協(xié)議[2]。在工業(yè)通信方面有著無(wú)與倫比的良好前景，可實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)到云端，即從物理層到云和智能層的所有級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)化和安全通信[3]。它具有可變性和靈活性，適用范圍涵蓋了從簡(jiǎn)單的過(guò)程數(shù)據(jù)采集到復(fù)雜的監(jiān)控、控制和分析。此外，得益于OPC UA協(xié)議的明確與開(kāi)放，開(kāi)發(fā)者與工程師們可對(duì)所謂的配套規(guī)范與其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行集成和組合。如今，OPC基金會(huì)與其他組織之間的合作數(shù)量不斷增加，這些組織專注于創(chuàng)建各種配套規(guī)范。例如，這些配套規(guī)范的范圍從通用設(shè)備描述（用于設(shè)備OPCUA）和分析設(shè)備模型 （ADI） 到Automation ML（用于OPC UA的AML）中的工廠描述，再到在OPC UA服務(wù)器中實(shí)施IEC PLC Open編程模型。

由于工業(yè)4.0以及智能工廠本身具有的復(fù)雜性，因此需要整合來(lái)自不同領(lǐng)域、涵蓋不同方面的標(biāo)準(zhǔn)或者協(xié)議。傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，Modbus和Profinet等工業(yè)用通訊協(xié)議，旨在被設(shè)計(jì)在隔離的工廠局域網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，因此幾乎很難提供安全功能。然而，由于工業(yè)流程控制的日益聯(lián)網(wǎng)以及愈加嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)安全威脅增多，例如伊朗德黑蘭核電站遭受“震網(wǎng)”病毒的攻擊以及美國(guó)石油公司遭受的勒索病毒，就是對(duì)較為安全的工業(yè)協(xié)議迫切需求的最好證明。而滿足這一功能需求的方式之一就是OPC UA。

例如，經(jīng)過(guò)德國(guó)聯(lián)邦信息安全辦公室進(jìn)行的安全分析證明，OPC UA的設(shè)計(jì)一定程度上考慮到安全性[4]。盡管如此，為了保證使用安全依舊需要人為地進(jìn)行相應(yīng)配置。因此，當(dāng)將OPC UA部署到復(fù)雜工業(yè)環(huán)境去時(shí)，我們將不得不重點(diǎn)評(píng)估它的安全性。顯然，關(guān)于OPC UA安全性的配置與評(píng)估，將是另外一個(gè)有待探討的重要話題。

3.OPC UA技術(shù)應(yīng)用

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)和工業(yè)通信系統(tǒng)都在面臨著新的挑戰(zhàn)，工業(yè)企業(yè)需要對(duì)各部門的生產(chǎn)管理等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集并進(jìn)行共享。而OPC UA是當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化中廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)之一，用于如從生產(chǎn)車間傳感器到中央服務(wù)器和云平臺(tái)的互操作性和數(shù)據(jù)交換。其應(yīng)用范圍我們將從如下智能工廠中三個(gè)常見(jiàn)的OPC UA的應(yīng)用場(chǎng)景分別進(jìn)行說(shuō)明。

3.1過(guò)程信息的可視化應(yīng)用

該場(chǎng)景描述了使用OPC UA技術(shù)為一條生產(chǎn)線提供解決方案并展示生產(chǎn)材料如何從機(jī)器人傳遞到工人手上的。由于對(duì)人機(jī)協(xié)作而言，安全性至關(guān)重要，因此將OPC UA引入生產(chǎn)線中時(shí)，需要以可視化的形式將必要的信息提供給人們。此外，還需要引入攝像系統(tǒng)，對(duì)與機(jī)器人共同工作時(shí)人們的活動(dòng)安全區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。所需的被可視化信息，可以是零部組件的位置或狀態(tài)，例如機(jī)器人的實(shí)時(shí)方位，以及使用報(bào)警閃爍框顯示的安全區(qū)、安全區(qū)域的可視化指示等。又比如機(jī)器人的貨品抓取，可以通過(guò)對(duì)貨架中不同箱子進(jìn)行可視化處理，然后與相對(duì)應(yīng)的組件信息作對(duì)比。該信息的提供可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) OPC UA組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如用于PLC的 OPC UA 服務(wù)器。

3.2質(zhì)量缺陷跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用

在此場(chǎng)景中，顯示了OPC UA可在生產(chǎn)環(huán)境中對(duì)復(fù)雜信息系統(tǒng)的處理能力。就人工進(jìn)行質(zhì)量缺陷追蹤而言，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又容易出錯(cuò)，因?yàn)椴僮鲉T需要通過(guò)大量的缺陷列表來(lái)查找相應(yīng)故障，并手動(dòng)記錄這些信息。而類似低效的缺陷查找方法將被如，小程序APP或者帶有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（Data Base Management System）的中央信息系統(tǒng)（Central Information System）所取代。其工作過(guò)程如下：首先，系統(tǒng)內(nèi)的所有通信以及獲取信息的組織均基于OPC UA。其次，創(chuàng)建一個(gè)連接到數(shù)據(jù)庫(kù)的OPC UA服務(wù)器以在生產(chǎn)階段提供和保存必要的信息。同時(shí)，在采用平板或者電腦中部署OPC UA 客戶端，用于與 OPC UA 服務(wù)器進(jìn)行通信。而這款平板或電腦應(yīng)用程序連接到條形碼掃描儀，以此盡可能簡(jiǎn)化操作員的信息獲取。此外，再使用一套可在普通桌面環(huán)境中運(yùn)行的 OPC UA 客戶端，通過(guò)與OPC UA服務(wù)器共享的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)SQL 查詢來(lái)跟蹤生產(chǎn)信息。

3.3監(jiān)測(cè)與控制

一般而言，OPC UA不僅能用于較高自動(dòng)化級(jí)別的監(jiān)控和控制，而且也能提高較低自動(dòng)化級(jí)別的通信設(shè)備之間的互聯(lián)性。通過(guò)通用接口，OPC UA可以從網(wǎng)絡(luò)和軟件應(yīng)用程序中提取數(shù)據(jù)。當(dāng)然，OPC UA不僅能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，還能安全可靠進(jìn)行控制以及訪問(wèn)實(shí)時(shí)報(bào)警或者歷史數(shù)據(jù)。下面我們將通過(guò)一個(gè)示例來(lái)描述其工作流程。

首先，在某臺(tái)Windows服務(wù)器部署運(yùn)行OPC UA 服務(wù)器，用來(lái)接收來(lái)自不同模塊或者子系統(tǒng)的多個(gè)Web服務(wù)信息。在智能工廠中，這些模塊或者子系統(tǒng)，大多數(shù)都是可編程邏輯器件，如PLC，單片機(jī)等。其次，針對(duì)基于通信模塊的Web服務(wù)，OPC UA會(huì)對(duì)其做出特定加密的操作，并對(duì)其信號(hào)傳輸路徑做標(biāo)準(zhǔn)化處理。另外，每一個(gè)通訊模塊或子系統(tǒng)都有著屬于自己的web服務(wù)，在通訊過(guò)程中將返回各自不同的標(biāo)識(shí)字符串。因此，通訊模塊和OPC UA服務(wù)器之間的Web服務(wù)信息，可以避免在正常操作模式下與生產(chǎn)控制單元發(fā)生沖突。另外，也可以通過(guò)OPC服務(wù)器對(duì)PLC發(fā)出控制指令。使用OPC UA技術(shù)的開(kāi)發(fā)方式將使得現(xiàn)有工廠在未來(lái)的可擴(kuò)展性成為可能，而無(wú)需對(duì)當(dāng)下的廠內(nèi)老舊控制系統(tǒng)進(jìn)行任何大的升級(jí)改造，就這一點(diǎn)而言具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.總結(jié)與展望

可以想象在不遠(yuǎn)的未來(lái)，對(duì)設(shè)備與平臺(tái)以及信息平臺(tái)之間的連接而言，OPC技術(shù)將變得愈發(fā)重要。例如，由于設(shè)備數(shù)量的快速增長(zhǎng)且大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)源中間平臺(tái)Open IOT已被開(kāi)發(fā)出來(lái)。Open IOT平臺(tái)支持廣泛的互聯(lián)網(wǎng)連接對(duì)象，并嘗試在所謂的云平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)“云計(jì)算”和“物聯(lián)網(wǎng)”的融合[6]。而為了實(shí)現(xiàn)在未來(lái)工廠之間的信號(hào)通訊，人們又在研究將Open IOT 與OPC UA協(xié)議集成在一起。

當(dāng)然，凡事總有兩面性甚至多面性。我們?cè)谙硎躉PC UA 技術(shù)帶來(lái)的便利同時(shí)也要考慮其使用的安全隱患。為了確保通信安全，盡管OPC UA 自帶了較高安全級(jí)別功能，比如提供了不同的消息安全模式，無(wú)安全性、僅完整性或完整性和機(jī)密性，以及為加密和簽名預(yù)定義加密算法的安全策略等，但在實(shí)際應(yīng)用上正確的人工配置才實(shí)現(xiàn)較為安全的應(yīng)用部署[7]?？傮w而言，雖然 OPC UA提供了強(qiáng)大的安全功能，但正確配置這些安全機(jī)制是必不可少的。由此可見(jiàn)，我們依然需要將對(duì)OPC的安全性做出相應(yīng)的評(píng)估。

參考文獻(xiàn)

[1]Lucke， D.， Constantinescu， C.， Westk?mper， E.， 2008. Smart factory - a step towards the next generation of manufacturing

[2]OPC Foundation， “OPC Unified Architecture Specification – Part 1： Overview and Concepts，” Version 1.04， 2017.

[3]OPC UA， IEC 62541， standard series.

[4] Federal Office for Inform. Security， “OPC UA Security Analysis，” 2017.

[5]Lukas Budde， Thomas Friedli.”The smart factory as a key construct of industry 4.0： A systematic literature review，” 2019.

[6] Open IOT platform @ ONLINE， https：//github.com/OpenIotOrg/openiot

[7] OPC Foundation， “OPC Unified Architecture Specification – Part 2： Security Model，” Version 1.04， 2017.

簡(jiǎn)介：谷恒（1991年11月27—），男，漢族，安徽亳州，碩士研究生，單位：合肥工業(yè)大學(xué)，研究方向：工程管理